JP4385124B2

JP4385124B2 - 電気的制御可能な微量液滴輸送デバイス

Info

Publication number: JP4385124B2
Application number: JP2004071607A
Authority: JP
Inventors: 隆安田
Original assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Current assignee: Kyushu Institute of Technology NUC
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2009-12-16
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: JP2005257569A

Description

この発明は電気的制御可能な微量液滴輸送デバイス、詳しくは表面張力を利用して微量液滴を一方向に輸送する微量液滴輸送デバイスにおいて、デバイス上に表面張力の差あるいは勾配を電気的に形成する技術に関する。

半導体の微細加工技術を利用してシリコン基板上やガラス基板上に微小な流路やバルブなどを構築することにより、血液や尿の分析による医療診断や健康管理、環境因子の分析による環境モニタリングなどを可能とする分析チップを創出することが可能である。このような分析チップにおいては、分析の高速化、被験者の負担低減、試薬や廃液の少量化のために、検体量をなるべく少なくし、極めて微量な液滴の状態で分析できることが望まれる。したがって、このような分析チップを実現するには、チップ内で微量液滴を輸送する技術が必要不可欠である。
微量液滴を輸送する従来技術としては、外部からの空気圧を利用する方法、誘電泳動を利用した電気的手法、熱や光を利用して液滴前後の表面張力に差を与える方法などが存在する。
これらの従来技術の一つとして、静電気力を用いて液滴の接触角を変化させ、液滴前後の接触角の差を作ることによって液滴輸送を行う技術がある。この技術は、「エレクトロウェッティング」と呼ばれ、この技術を利用して、非特許文献１に示すように、微量液滴の輸送だけでなく微量液滴の生成や液滴同士の結合などが可能となる。しかし、この方法では、特に液滴を長い距離輸送する場合には多数の電極を基板上に形成し、個々の電極に印加する電圧のタイミングなどを制御する必要が生じるため、これを分析チップに応用する場合に全体のシステムや製造方法が大掛かりで複雑かつ高価なものとなってしまうという問題点がある。
一方、申請者はすでに、下記の出願において、シリコン基板やガラス基板上に親水性材料と疎水性材料をパターニングすることにより表面エネルギ勾配を形成し、この面上に置かれた液滴前後の接触角の違いを駆動力とした、他にエネルギ源を必要としない簡便で安価で長距離輸送が可能な微量液滴輸送技術を申請している（特願２００３−１６４６４４）。

Sung Kwon Cho, Shih-Kang Fan, Hyejin Moon, and Chang-Jin Kim, Towards Digital Microfluidic Circuits: Creating, Transporting, Cutting and Merging Liquid Droplets by Electrowetting-based Actuation, Technical Digest of the Fifteenth IEEE International Conference on Micro Electro Mechanical Systems, 米国, The Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc., January 20-24, 2002, pp.32-35。

しかし、この輸送方法では、デバイス上にあらかじめ表面エネルギ勾配がパターン面として形成されているため、パターン面に液滴を置くと即座に液滴が移動を開始してしまい、液滴の輸送開始や終了、液滴の輸送速度を制御することは不可能であった。

本発明は、表面エネルギ勾配を用いて微量液滴を輸送する簡便な独自技術とエレクトロウェッティングという電気的制御性に優れた従来技術を組み合わせることにより、デバイス上に表面張力の差あるいは勾配を電気的に形成し、デバイス上での液滴輸送を電気的に制御することを目的とする。具体的には、二つの電極間に電圧を印加することにより、微量液滴の長距離輸送における移動開始・終了及び輸送速度を電気的に制御することのできる微量液滴輸送デバイスを提供することを目的とする。

請求項１に記載の発明は、基板上に配された液滴を輸送させる電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスであって、絶縁性を有する上記基板と、この基板の表面に設けられた第１の電極と、この第１の電極と所定距離を有して絶縁されて基板の表面に設けられた第２の電極と、上記第１の電極を被覆する誘電体膜と、この誘電体膜および第２の電極を一面に覆う疎水性膜とを備え、上記第１の電極および第２の電極は、複数のくさび形状をそれぞれ有し、互いに所定距離を有して絶縁され噛み合わせるように基板の表面に設けられた電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスである。
基板の素材は限定されない。例えば、シリコン基板、ガラス基板、シリコーン樹脂などの基板を使用する。ただし、この基板上に電極を形成するため、絶縁体ではないシリコン基板などを使用する場合には、絶縁膜を表面に成膜しておく必要がある。
第１の電極および第２の電極の素材は限定されない。例えば、金、アルミニウム、銅などを使用する。ただし、金を使用する場合には、基板との密着性が悪い。そこで、金薄膜電極と基板との間にクロム薄膜を挟むと、金薄膜電極と基板との密着性が向上する。
上記電極の膜厚は、例えば０．３μｍである。厚くし過ぎるとデバイス上の凹凸が大きくなり、液滴の移動が妨げられる可能性がある。また、薄くし過ぎると電極の抵抗が大きくなるため、印加電圧の立ち上がりが遅くなったり、電極自体の電圧降下分だけ駆動電圧が大きくなったりする可能性がある。
誘電体膜の素材は限定されない。例えば、二酸化シリコン、テフロン（登録商標）、パリレン、またはチタン酸バリウム・ストロンチウムなどを使用する。比誘電率の大きな材料のほうが、必要な駆動電圧を小さくできる。
誘電体膜の膜厚は、例えば０．１〜２μｍである。薄くするほうが低電圧で液滴を輸送することができるが、輸送に必要な電圧を印加すると液滴を電気分解させてしまう可能性がある。誘電体膜を厚くすれば、液滴を電気分解させる心配はなくなるが、輸送に必要な電圧が高くなる。したがって、誘電体の膜厚には、液滴を電気分解させることなく、なるべく低電圧で輸送できるような、適度な値が存在する。また、誘電体膜を厚くすると、デバイス上の凹凸が大きくなり、液滴の移動が妨げられる可能性がある。
疎水性膜の素材は限定されない。例えば、フッ素樹脂（例えば、旭硝子（株）製Ｃｙｔｏｐ）を使用することができる。疎水性膜の膜厚は、例えば０．１μｍである。薄過ぎると絶縁破壊を起こす可能性がある。また、厚くするほど、液滴輸送に必要な電圧が高くなってしまう。

請求項１に記載の電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスにあっては、液滴を２個の薄膜電極をまたぐように置き、これらの薄膜電極間に電圧を印加することにより、これらの電極上に表面張力の差を生じさせ、この差により微量液滴前後の接触角の差が発生し、これを駆動力として液滴を一方向に確実に輸送することが可能となる。
表面張力の差を生じさせるには、まず、２個の薄膜電極間に所定電圧を印加する。すると、液滴は分極を起こし、この２個の薄膜電極の方向に引き付けられる。そして、この引き付けられる力が、高い誘電率を有する誘電体膜が設けられた電極側で強くなる。また、引き付ける力の大きさは、絶縁体と電極との間を形成する物質の誘電率に比例する。これにより、液滴は、接触角を小さくしながら、誘電体膜側に引き付けられる。この結果、デバイス上において、液滴を輸送することができる。液滴輸送の速度は、印加電圧の大きさと周波数などにより制御可能である。
また、電圧を印加した時点で液滴輸送を開始することが可能となる。さらに、デバイス上で他の液滴との混合のタイミングを計ったり、複数の液滴の輸送を同時に開始したりすることなどが可能となる。さらに、長い距離を有するデバイス上においても液滴を輸送することが可能となる。

第１の電極および第２の電極のくさび形状の寸法は、例えば、底辺が１０μｍから１ｍｍ、長さが１００μｍから３０ｍｍであり、典型的な寸法はそれぞれ６００μｍと１０ｍｍである。底辺に対して長さの寸法が小さいほうが、電圧印加後の表面エネルギ勾配が大きくなり、より小さな電圧でも液滴を移動させることが可能となる。

この電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスにあっては、第１の電極および第２の電極の形状を複数のくさび形状が並んだ形状とする。そして、これらを噛み合うように配置する。くさびの形状は、その寸法を長くすることも可能である。これにより、これらの薄膜電極間への電圧印加後にこれらの薄膜電極上に表面張力の勾配を形成させ、微量液滴の長距離輸送と、輸送の開始・終了や輸送速度の制御を行うことが可能となる。この結果、電極２個のみで微量液滴の長距離輸送が可能となるため、液滴輸送距離が長くなる分析チップに応用する際に、外部への配線数を最小にすることが可能となり、チップ周辺の機器構成が極めて簡単になる。また、印加電圧の大きさなどを変更することにより表面張力の勾配の大きさを変えることができるため、輸送速度の制御を行うことが可能であり、これにより他の液滴との混合を行う際に、高速に液滴同士をぶつけるように混合させたり、ゆっくりと接触させるように混合させたりするなどの制御が可能となる。

この電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスにあっては、例えば、誘電体膜を二酸化シリコンで形成することにより、この誘電体膜直下の薄膜電極に電圧を印加すると、その電極上での液滴の接触角を小さくすることが可能となり、これにより隣接する電極上との間で表面張力の差を作ることが可能となる。誘電体膜は、二酸化シリコン、テフロン（登録商標）、パリレン、チタン酸バリウム・ストロンチウム等を使用する。これらの誘電体膜は誘電率がそれぞれ異なるので、適宜選択して基板上に配設することが可能である。また、例えば二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）を使用することにより、半導体の微細加工技術との相性が良くなる。

請求項２に記載の発明は、上記２つの電極間には、所定周期で変化する電圧が印加される請求項１に記載の電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスである。
請求項２に記載の発明に係る電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスにあっては、上記２つの電極間には、所定周期を有する交流電圧、または直流電圧と交流電圧が組み合わされた電圧が印加される。直流電圧または交流電圧の大きさまたは周波数により表面上の液滴の輸送速度を制御することができる。

上記疎水性膜はフッ素樹脂が好ましい。
この場合、電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスにあっては、疎水性膜をフッ素樹脂で形成することにより、液滴の接触角を大きくし、液滴をデバイス面に吸着させずに移動させることが可能となる。

本発明の電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスによれば、２個の電極への電圧供給以外には外部に特別な機構を必要としない。また、簡便で安価な構造で、微量液滴を一方向に確実に輸送し、さらにその長距離輸送と、輸送開始・終了及び輸送速度の制御が可能となる。したがって、本発明に係る微量液滴輸送デバイスを、医療診断チップや環境分析チップなどの微量な液滴を検体として用いるデバイスチップに応用すれば、検体となる血液や尿、環境因子を含む液滴などを分析箇所に簡便かつ確実に輸送することが可能となる。そして、本発明の構造は極めて安価に製造できるため、これを応用した医療診断チップや環境分析チップなどは使い捨て可能なほど安価になる可能性があり、医療診断や環境分析などの分野の発展に対して多大な貢献を期待することができる。

以下、この発明の実施例を、図１〜図３を参照して説明する。
本実施例に関わる電気的制御可能な微量液滴輸送デバイス１０は、図１に示すように、基板１１と、その基板１１の上面に隣接するように形成された薄膜の第１の電極１２ａおよび第２の電極１２ｂと、第１の電極１２ａを被覆する誘電体膜１４と、これらを一面に覆う疎水性膜１５とで構成される。
基板１１は幅３０ｍｍ、長さ３０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの矩形の絶縁性を有するガラス基板である。
そして、この基板の表面に薄膜の第１の電極１２ａおよび第２の電極１２ｂが形成される。薄膜電極１２ａ、１２ｂは厚さ０．３μｍの金薄膜製であり、基板１１との密着性を高めるために厚さ０．１μｍの図示していないクロム薄膜を介して金属薄膜１２ａ、１２ｂを形成している。金薄膜およびクロム薄膜は真空蒸着を利用して形成される。
また、この２つの薄膜電極１２ａ、１２ｂは、くさび形状に形成される。すなわち、底辺が１０μｍから１ｍｍまで、長さが１００μｍから３０ｍｍまでのくさび形状である。典型的な寸法は、それぞれ６００μｍと１０ｍｍである。
誘電体膜１４は、厚さ０．８μｍの二酸化シリコン（ＳｉＯ_２）であり、薄膜電極１２ａの全体を被覆する。この二酸化シリコンの比誘電率は、３．８である。
疎水性膜１５は厚さ０．１μｍのフッ素樹脂（例えば、旭硝子（株）製Ｃｙｔｏｐ）であり、薄膜電極１２ａと１２ｂを完全に覆うように成膜される。

次に、この微量液滴輸送デバイス１０を用いた微量液滴１６の輸送方法を説明する。
図１に示すように、まず、０．１〜１００μＬの純水液滴１６を、第１の電極１２ａと第２の電極１２ｂをまたぐように設置する。この際、液滴１６の接触角は、疎水性膜１５の表面エネルギで決まる。液滴１６周囲のどの場所でも接触角は約１１０度程度である。このとき、デバイス上の液滴１６を移動させる外力は生じていない。
次に、図２に示すように、この２つの電極１２ａ、１２ｂ間に所定の直流電圧を印加する直流電源１７を設け、そして、直流電源１７と２つの電極１２ａ、１２ｂとを導線を用いて結線する。
そして、これらの電極１２ａ、１２ｂ間に電圧１０〜１００Ｖの一定電圧を印加する。すると、誘電体膜１４上で接触角が減少する。この減少具合は印加電圧の大きさに依存し、印加電圧が大きい場合（１００Ｖ）には約８０度程度まで接触角が減少する。なお、印加電圧は、直流電源１７の電圧値を調整することで可能である。
接触角が小さくなる現象は以下のようにして説明される。すなわち、２個の薄膜電極１２ａ、１２ｂ間に所定電圧を印加する。すると、液滴１６は分極を起こし、この２個の薄膜電極１２ａ、１２ｂの方向に引き付けられる。そして、この引き付けられる力が、高い誘電率を有する誘電体膜１４が設けられた第１の電極１２ａ側で強くなる。また、この力の大きさは、絶縁体と電極との間を形成する物質（誘電体膜１４）の誘電率に比例する。これにより、液滴１６は、接触角を小さくしながら、誘電体膜１４側に引き付けられる。
一方、誘電体膜１４が形成されていない薄膜電極１２ｂ上の液滴１６の接触角はほとんど変化しない。したがって、この接触角の差により、液滴１６には薄膜電極１２ｂから薄膜電極１２ａに向かって駆動力が発生し、液滴１６は第２の電極１２ｂから第１の電極１２ａに向かって移動する。

次に、この微量液滴輸送デバイス１０において、液滴１６の輸送距離を長くする方法を、図３を参照して説明する。
薄膜電極１２ａと１２ｂの形状を、複数のくさび形状が並んだ形状にし、それらが噛み合うように配置する。すなわち、図３に示すように、第２の電極１２ｂの先端が先細りの複数の山形の形状を有し、第１の電極１２ａは、上記第２の電極１２ｂと絶縁性を有して所定距離を離間されて谷型の形状を有している。そして、薄膜電極１２ａの上にのみ誘電体膜１４を成膜し、これらの電極を覆うように疎水性膜１５を成膜する。図３に示すように、このくさび電極パターン上に純水液滴１６を置き、薄膜電極１２ａと１２ｂの間に電圧１０〜１００Ｖの一定電圧を印加すると、薄膜電極１２ｂから１２ａに向かって表面エネルギ（濡れ性）の勾配が形成される。したがって、液滴１６の前後に接触角の差が生じ、これが駆動力となって液滴１６が輸送される。

上記微量液滴輸送デバイス１０の２つの電極１２ａ、１２ｂ間には、交流式に電圧を印加することができる。交流式の印加電圧を正弦波状や矩形波状にすると、液滴１６の輸送に必要な電圧が低減される。例えば、直流式の電圧４０Ｖを印加しないと液滴１６が移動し始めないような場合でも、最大電圧が３０Ｖで最小電圧が０Ｖであるような矩形波状の電圧を印加すると、液滴１６を移動させることが可能な場合がある。これは、液滴１６の接触角を振動させることにより、液滴１６とデバイス表面との摩擦が低減されたためであると思われる。ただし、この周波数を大きくし過ぎると、液滴の接触角変化が電圧変化に追従できなくなり、液滴の輸送速度が極端に小さくなる。例えば、周波数６０Ｈｚ程度までは、周波数を上げるにつれ液滴速度が大きくなるが、７０Ｈｚを超えると液滴の移動は極端に遅くなる。
薄膜電極１２ａと１２ｂのくさび形状の寸法は、底辺が５８０μｍ、長さが１０ｍｍであり、底辺は１０μｍから１ｍｍ、長さは１００μｍから３０ｍｍの範囲で変更が可能である。底辺に対して長さの寸法が小さいほうが、電圧印加後の表面エネルギ勾配が大きくなり、より小さな電圧でも液滴１６を移動させることが可能となる。また、このくさび形状の寸法は変更することが可能であり、液滴１６を長い距離輸送することもできる。

本発明の一実施例に係る微量液滴輸送デバイスの構造を示した断面図である。本発明の一実施例に係る微量液滴輸送デバイスに電圧を印加した状態を示す断面図である。図１のＡ−Ａ線からみた平面図である。

１０微量液滴輸送デバイス、
１１基板、
１２ａ、１２ｂ薄膜電極、
１４誘電体膜、
１５疎水性膜、
１６微量液滴。

Claims

基板上に配された液滴を輸送させる電気的制御可能な微量液滴輸送デバイスであって、
絶縁性を有する上記基板と、
この基板の表面に設けられた第１の電極と、
この第１の電極と所定距離を有して絶縁されて基板の表面に設けられた第２の電極と、
上記第１の電極を被覆する誘電体膜と、
この誘電体膜および第２の電極を一面に覆う疎水性膜とを備え、
上記第１の電極および第２の電極は、複数のくさび形状をそれぞれ有し、互いに所定距離を有して絶縁され噛み合わせるように基板の表面に設けられた電気的制御可能な微量液滴輸送デバイス。
上記２つの電極間には、所定周期で変化する電圧が印加される請求項１に記載の電気的制御可能な微量液滴輸送デバイス。